基于变频器内置PID功能实现恒压供水(共8页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于变频器内置PID功能实现恒压供水曹保峰摘要：结合ACS800变频器在中铝中州分公司热电厂反渗透系统3#除盐水泵上的改造应用，叙述了在省去PID控制器模块情况下，如何利用变频器内置PID调节功能实现除盐水系统自动调节、恒压供水。关键词 除盐水系统 PID 变频器 恒压 1、 引言 随着社会的发展进步，工业自动化水平的大幅度提高，变频技术和计算机技术的发展，尤其是数字化技术的实现，为恒压供水系统提供了支持。恒压供水技术最早主要引用于居民供水，但随着工业生产要求的不断提高，对供水压力的恒定控制是非常要必要的。我公司锅炉用水是水处理通过除盐水泵将水打到除氧器除氧，再由给水

2、泵向锅炉供水。期间，除氧器进水量根据水箱水位，通过调节门来调节进水流量，除氧器调节门频繁调整会造成除盐水管网压力波动，如何实现除盐水管网恒压供水，是我们急需要解决的问题。变频器的功能也越来越强大，自身具有内置的PID控制功能，为我们对流量、压力、水位等实现闭环控制创造了条件，再加上变频调速以其节能、安全、环保、高品质等诸多优点在实际生产应用中得到了很大发展。很凑巧，车间在先前的技术改造中闲置了一台带有内置PID控制功能，型号为ACS800-02-0170-3+P901的变频器。我们本着充分利用闲置资源，不增投资的思想，对3#除盐水泵实施了变频改造，并跟踪其运行过程，完全实现了除盐水恒压供水，节

3、能、降低员工劳动强度效果明显。2、 工艺参数及要求2.1工艺参数除盐水泵电机参数：电机额定功率110KW、额定电压值380V、额定电流值195A、额定频率（50HZ）、额定转速（2975）转。水压参数：除盐水管道出口压力1.0MPa、上下波动10%、除氧器进口压力：7.0-8.5 MPa2.2恒压控制方式的选择本系统采用水泵出口恒压控制方式，该方式简单、可靠、节省投资。它是将压力传感器安装在除盐水母管出口处，压力检测点距变频器较近，能准确反映水压实际变化情况，系统的控制效果较好。3.系统组成及工作原理恒压供水系统的组成主要有计算机、可编程控制器（PLC）、变频器（内置PID功能）、电动机、水泵

4、、压力传感器、压力变送器等组成。系统组成简图如图1所示。图1恒压供水系统组成计算机、PLC、压力传感器、压力变送器原来都已安装，只需增加一套ACS800变频柜。根据工艺要求，保留3#除盐水泵原有的模拟量和开关量信号，将除盐水管道压力变送器更换一个一拖二的变送器；变频器是实现恒压控制的核心设备，我们选用ABB公司带内置PID调节单元的ACS800变频器，无需再加装智能PID控制器。ACS800变频器既能进行频率变换，又可进行模拟量的PID运算，即可实现压力的定值控制。变频器直接接收变送器的模拟量信号进行PID控制，当压力发生变化时，变频器的输出频率也会随之改变，从而改变电机转速，达到稳定压力的目

5、的。此型号变频器PID运算速度快，精度高，且参数设置简单。压力传感器和变送器是组成压力闭环调节系统的关键元器件，一体化设计的产品，它能把管网压力的检测值变成4-20ma的电信号送到变频器的模拟量输入端，作为变频器进行PID运算的输入信号，再有变频器输出控制信号控制水泵电机调速，以保持管网压力恒定。3.2变频器的恒压控制原理变频器恒压供水的核心是定值控制，而定值控制的基本手段是PID控制，ACS800变频器内置了PID算法器，其模型简单，计算方便，功能强大。这里PID算法原理不再赘述。4、新反渗透3#除盐水泵恒压供水的改造思路图2 新化学反渗透1#2#3#除盐水泵管网系统图如图2所示，为新化学反

6、渗透1#2#3#除盐水泵管网系统图。两台除盐水箱的除盐水由三台除盐水泵送至锅炉除氧器。改造前，三台除盐水泵均采用Y/降压启动工频运行且互为备用，正常运行中两台工作一台备用。改造后，1#2#除盐水泵工频，其中一台工作一台备用，也可以两台同时工作。3#除盐水泵为PID控制的变频器运行。正常情况下，开两台泵运行，即1#、2#泵中的任意一台泵和3#除盐水泵工作。其基本工作过程是：3#除盐水泵电动机将除盐水经母管送到锅炉除氧器罐中。给水母管压力的大小取决于除盐水泵的出力(在本系统中，就是取决于电动机的转速)和锅炉用水量之间的平衡状况。为了保证母管压力，要求3#除盐水泵转速稳定在某一个数值上。这个数值，是

7、我们的控制目标，称之为目标压力。与目标压力对应的电信号，称为目标信号。在变频器中，目标信号也称为目标值或给定值。也就是说我们设定一个恒压目标值，根据锅炉生产需要，母管压力暂定为不小于0.7MP。其具体要求是：当锅炉用水量增加，除盐水母管内的实际压力小于目标值压力时，要求3#除盐水泵加速，使母管内的压力上升至目标值，反之，当锅炉的用水量减少，母管内的实际压力大于目标压力时，要求3#除盐水泵减速，使除盐水母管内的压力下降至目标值，从而达到闭环控制实现变频调速的目的。ACS800变频器的目标信号和反馈信号是用传感器(SP)量程的百分数来表示的。例如，母管内的给水压力保持为0.7MPa，传感器至后台P

8、LC然后输出的信号为420 mA的电流信号，则：当压力表SP的量程为01 MPa时，与0.7MPa对应的百分数为70%，对应的信号电流为XT4(204)0.715.2mA，目标值定为70%.交流3801、1延时0.5闭合瞬时断开。2、延时5断开。瞬时闭合远控信号至运行信号至远控启停就地启停控制电源星三角切换停止指示灯运行指示灯故障指示灯引自程控柜图3 除盐水泵星三角降压启动原理图 图3为改造前除盐水泵的Y降压启动控制原理图，为了节省改造时间和不破坏原有的二次接线（当初设计是想着万一变频器出现大的故障坏了一时修不好，不当误生产可直接短时间内恢复接触器和电机的接线），我们只是把KM1、KM2、KM

9、3接触器的主回路接线拆除保留二次回路接线，用KM2接触器的一对辅助接点来实现对变频器的启停。5、3#除盐水泵改造内置PID功能变频器接线如图4所示为改造后的3#除盐水泵PID控制变频器接线原理图。AI2为除盐水泵的模拟给定（引自PLC柜），该信号为实测的压力信号，在控制系统中作为反馈信号输入到变频器的模拟输入端AI2。DI6为控制变频器的启停，当DI6接点闭合时，选择PID调节下的自动控制运行，DI6接点失电断开时，变频器停止运行。6、系统调试在对变频器安装接线完成后，即可进行调试。首先，变频器开环状态下检测压力传感变送器经后台PLC反馈信号是否正常，在变频器接线端子X21：5、X21：6两端

10、子上测量AI2+、AI2- 有电流，应该是4-20mA的电流信号。将变频器送电设在LOCAL（就地）模式，进行变频器应用宏选择。选用PID控制宏后，变频器的给定信号不论键盘给定或是外接给定，所给定的信号不再是频率给定信号，而是目标值给定信号。加、减速速度的改变仅仅根据内置P、I、D 的运算结果来决定。显示屏上显示的目标信号和反馈信号都是百分数。依据ACS800标准应用程序3#除盐水泵变频器PID控制具体参数设置调试过程如下：将 AI2 设定为反馈端口，给定值设定为键盘给定（通过键盘的 REF），AI2、为 420mA 的反馈端，AO2 为 420mA 模拟量输出。将 99 参数组以前的参数组均

11、按使用要求加以设置，然后再进入 99 参数组设置参数。具体的变频器参数设置如下（关键参数）：10.01外部1命令（DI6控制起停）；10.02外部2命令1（DI1控制起停）；10.03电机转动方向（forward正转）；11.04REF1的最小值（0）；11.05REF1的最大值（2975）；11.06选择外部给定REF2的信号源（KEYPAD控制盘）；11.07：外部给定2的最小值（0%）；11.08：外部给定2的最大值（100%）；13.01AI1下限0%；13.02AI1上限100%；13.04AI2下限20%；13.05AI2上限100%；13.06AI2低限(4mA)；13.07AI

12、2高限(20mA）；14.01 选择 2 = READY 运行准备。14.02 选择 3 = RUNNING。运行信号。14.03 选择 4 = FAULT 故障。16.01 选择 1 = 运行信号始终有效。16.02 选择1 = LOCKED参数锁的状态。参数锁防止参数值被修改。16.03 设置 358 开锁，该值将自动回零。20.01定义最小转速允许值（0），20.02定义最大转速允许值（2975），20.03定义电机电流的最大允许值（1.1倍电机额定电流，215A）21.01选择1 = AUTO 自动启动方式。21.02 选择2 = RAMP 斜坡减速停车。22.01 选择1 = ACC

13、/DEC 1 使用加速时间 1 和减速时间 1。22.02 定义加速时间 1。 选择40S。22.03 定义减速时间 1。选择40S。32.05电机电流监控(HIGH LIMIT电流上限监控),32.06电流监控极限值（215A过载电流）40.01 定义过程 PID 控制的增益。 0.1.100.0选（1）40.02 定义过程 PID 控制器的积分时间。 0.02320.00S选(60S)40.03 定义过程 PID 控制器的微分时间。 0.0010.00S选(0S)40.04 定义滤波时间常数。 0.0410.00S选(4)40.05选择 0 = NO 将过程 PID 控制器的输入信号偏差值

14、不取反。40.06 选择 1 = ACT 1用于 PID 控制器的过程实际值。40.07 选择 1 = AI 2变量 ACT 1 的信号源。40.09定义ACT1的最小值（20）， 4010ACT1的最大值（100）(1=模式输入AI1的给定)（2=模式输入AI2的给定） ，4011设置一个恒定的给定值70% 左右 给定压力百分数 ，4012设定压力上限0.0-100% 为100， 4020激活睡眠功能（OFF）34.02选择 3 = %为过程变量的单位。99.01 选择语言 0 = ENGLISH99.02选择应用宏。3 = PID CTRL PID 控制。99.03 恢复当前应用宏程序（9

15、9.02）的出厂设置。选择1 = YES 进行恢复。99.04选择电机控制模式(DTC)。99.05 定义电机额定电压值（380V）。99.06 定义电机额定电流值（195A）。99.07 定义电机的额定频率（50HZ）。99.08 定义电机的额定转速（2975）转。99.09 定义电机的额定功率（110KW）。99.10选择电机辨识类型，选择 1 = ID MAGN（辩识运行）。参数设置完成后，进入试车阶段。注意：在首次启动电机时会自动进行电机辨识运行，要检查电机的旋转方向，保证3#除盐水泵的旋转方向正确。在40组PID的调试过程中我们采用的是经验凑试法。先大致设定一个经验值，然后根据调节效

16、果修改。母管压力传感器的控制系统是压力，它对应的参数范围是P比例（1 / K）取30 70 ，这里K是放大倍数。 I积分时间T1取(20-180)S ，在整定调试过程中 放大倍数越小，过渡过程越平稳，但余差较大。放大倍数越大，容易引起压力忽大忽小发生振荡。积分时间越小，消除余差就越快,但系统振荡会较大，积分时间越大，系统消除余差的速度较慢。微分时间太大，系统振荡次数增加，调节时间增加，微分太小，系统调节缓慢。因为比例作用是基本的控制作用，因此，首先把比例度凑试好，待过渡过程已基本稳定，然后加积分作用消除余差，最后加入微分作用进一步提高控制质量，基本步骤如下： 1）、将放大倍数K（增益）放在较小

17、的位置，逐渐增大K，观察被控量直到满意为止，如40.01选择1；2）、设置积分时间T1=0，按纯比例作用整定放大倍数观察压力的反应速度是否在要求内；当压力的反应速度达到要求然后将K缩小（1020），将积分时间T1由大到小逐步加入，直到获得满意的过渡过程，如40.02选择60S；3）微分增益在以压力为对象的控制系统中，由于滞后不大，设置为0；4）滤波时间常数值根据实际情况来调整，适当设置滤波时间常数以消除信号传输过程中的干扰，选择4S；整定参数时认真观察系统输出及被调量的变化情况，根据具体情况适当修改40组PID参数。可以说，只要多花点时间，都能满足要求。7、跟踪改造效果3#除盐水泵PID控制变

18、频器改造完成已近一年， 设备运行稳定、可靠，未出现异常情况；采用变频节能技术后，电机起停实现了软起停，没有任何冲击；采用变频节能技术后，可通过调节电机转速来调节水量及压力大小，从而精确控制水量及水压；采用了变频节能技术后，可将水泵阀门全开，降低管网阻力；采用了变频器内置PID控制技术，实现了系统恒压供水，降低了操作工的劳动强度，无需人工频繁调整。就目前变频器实际运行情况来看，虽然已实现自动恒压供水，但节能效果不明显，接下来将考虑一拖三改造方案，即利用这一台变频器拖动现有的三台除盐水泵，根据管网压力变化自动实现变频转工频，始终保持一台泵为变频运行。【参考文献】1）电气时代2006年第2期的产品技术与理论知识变频器的PID控制；2）ACS800固件手册；3）黄立培、张学，变频器应用技术及电动机调速M.人民邮电出版社，1999.专心-专注-专业